基于組態仿真技術的紙機實驗系統設計

任思璟， 李春華， 李忠勤

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引 言

可編程控制器(PLC)是自動化、電氣工程及其自動化專業的必修課，已廣泛應用于工業控制的各個領域[1-3]，為了適應PLC日益廣泛的應用形勢，近年來，許多高校都加強對PLC課程的重視程度，加大實驗實訓基地建設，增加PLC實驗課程學時,經過一段時間的運行，取得了較好的結果，但是仍有不足之處[4-5]。

1 存在的問題及解決途徑

(1) PLC課程是一門實踐性很強的課程，高校教師大部分都是畢業后就直接進入學校，缺少工程實踐經驗，無法將工程實際與基礎理論相結合，講授過程中不能使學生掌握PLC在生產實際中的應用，不能真正解決實際問題[6]。

(2) 盡管多數高校在該課程中設有實踐教學環節，但是訓練的強度和真實度還是不夠，目前PLC實驗大多涉及到被控對象(如電機、變頻器等)和執行機構(如機床導軌、滑臺、機械手臂等)，出于成本的原因，都是采用發光二極管模擬實驗效果，不能直觀、逼真地顯示PLC動態控制過程，學生的實驗興趣和積極性自然也不高[7]。

隨著組態軟件及其技術的發展，把PLC與組態控制結合起來，即將組態仿真技術應用于PLC教學，通過PLC和控制對象模型之間的通訊，完全虛擬出整個工程過程，該類實驗系統成本低，解決了購置實際被控對象需要大量的資金，同時存在占用空間面積大、不能及時更新等問題[8]，也避免實際對象在工作過程中的移動、升降和旋轉等動作的危險性，提高了安全系數。

本文研究了一種基于組態軟件監控的紙機傳動實驗裝置，通過傳感器測量各項參數(轉速、溫度、壓力)，利用PLC的A/D模塊將傳感器輸出的模擬量信號進行采集后，與上位機進行實時通訊[9-10]，組態軟件以動畫顯示、報警處理、實時曲線等多種方式向用戶虛擬顯示整個實際生產過程，該實驗系統開發周期短且符合工業現場情況[11-13]。

2 紙機傳動實驗系統的構成及原理

造紙機主機的5個傳動點(網部，壓榨，干燥，壓光，卷紙)由5臺交流電機拖動，交流電機由ABB變頻器調速裝置驅動，變頻器輸出的頻率即對應電機相應的速度。該系統的控制采用PLC作為控制核心，根據烘缸溫度的變化狀況來控制主電機的速度，并采用組態軟件作為上位機，其主要功能有：啟動/停止變頻器、控制下料閥門的開度、顯示變頻器的輸出頻率、車速、烘缸溫度等。本設計的紙機多段速度控制系統采用多級控制結構如圖1所示。由上位機、操作臺、PLC、變頻器和電機組成一套自動控制系統[14]。

圖1 系統結構圖

紙機傳動控制系統第一級為驅動級，采用ABB變頻器實現對變頻交流電機的速度及紙帶張力等參數的控制。

第二級為PLC控制系統，采用西門子S7-300可編程控制器通過指令程序完成紙機傳動控制系統的速度控制、負荷分配控制和定時控制等。在系統運行時，PLC控制器從輸入模塊獲得信息，通過程序運算后之后，將結果傳達給變頻器。

第三級為上位機操作系統，通過組態王軟件構建仿真操作界面，使得對紙機的各項操作能直接通過組態王的工作界面來設定和執行，并能通過監控界面直觀顯示紙機運行的狀態和必要的數據，保證和維護系統的正常運行[15]。

3 組態仿真系統的開發

組態系統是由裝有組態王軟件的計算機、輸入、輸出設備及PLC組成。該系統通過通訊電纜使組態軟件與PLC直接進行數據交換，使PLC控制的執行情況能夠實時、直觀地在電腦畫面上顯示出來，供學生學習。

組態王軟件設計主要包括I/O設備組態、組態王數據詞典定義、組態畫面設計制作等幾部分。

3.1 I/O設備組態的建立

I/O設備組態是指根據現場的硬件I/O設備的物理類型和實際參數，在組態王軟件開發系統中創建對應的邏輯I/O設備，并設定相應的通訊參數，以便完成組態與硬件設備的數據通訊。在設備配置中定義西門子S7-300系列PLC的通信設置，一般通信選擇為MPI方式。

3.2 組態王數據詞典定義

在組態王軟件中，圖形變化、數值顯示、控制參數輸入等都是通過“變量”來傳遞數據或狀態，變量的屬性一般包括：變量名、變量的類型、描述、變量靈敏度、變量的取值范圍以及I/O變量的連接設備信息等。

組態王的變量分為內部變量和I/O變量2種類型。其中I/O變量是指與外部設備進行數據通訊的變量，而內部變量一般指只在組態王內部進行數據處理的變量。所有在仿真界面中需要使用的內部變量和I/O變量都必須在數據詞典中進行定義，根據需要在數據詞典中增加數據變量，設置名稱和類型。

3.3 組態畫面設計制作

在畫面開發界面的圖庫中調出按鈕、閥門、電動機、變頻器、報警窗口等素材創建符合生產實際情況的紙機傳動控制系統的基本畫面及監控畫面，明確各圖形對象的含義，采用動畫連接方式將組態畫面中圖形對象與變量建立對應關系。組態軟件運行時，要求在組態王的控制畫面中可生動形象地看到傳送帶的上升和下降、電機的啟動和停止、電磁閥的啟停等動畫效果以及在監控畫面上能夠形象地表現出流量和溫度、電機轉速等數據所發生的變化，從而加強監控效果，形成良好的人機交互界面來觀察控制系統的變化是否符合設計要求。紙機的監控系統如圖2、3所示。

圖2 紙機仿真系統控制界面

圖3 紙機仿真系統監控界面

4 結 語

通過西門子S7-300和組態王軟件在紙機傳動控制系統上的實驗教學, 證明通過組態軟件模擬實際生產過程，讓學生親自編程、實際接線和仿真調試，并對運行過程中所遇到的問題進行分析和改進，對學生的實踐能力有很大的提高。該系統具有通用性、開放性及可擴展性，能夠滿足其它類似項目的課程教學和科研創新實踐能力培養，具有廣闊的推廣應用前景。

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